正交幅度调制通信系统仿真设计

1课程设计报告题目：正交幅度调制（QAM）通信系统仿真设计学生姓名：梁美丽学生学号：1008040118系别：电气信息学院专业：通信工程届别：2014届指导教师：沈晓波电气信息工程学院制2013年5月2正交幅度调制正交幅度调制正交幅度调制正交幅度调制QAM通信系统仿真设计通信系统仿真设计通信系统仿真设计通信系统仿真设计学生：梁美丽指导老师：沈晓波电气信息工程学院通信工程专业1课程设计课程设计课程设计课程设计的任务的任务的任务的任务(1)通过本次课程设计，理解16QAM调制原理，并仿真出16QAM调制波形以及星座图。(2)对16QAM调制信号解调还原，并掌握16QAM解调原理。(3)对16QAM与16PSK性能进行分析比较。2QAM调制调制调制调制研究背景及应用领域研究背景及应用领域研究背景及应用领域研究背景及应用领域2.1QAM调制调制调制调制研究背景研究背景研究背景研究背景正交振幅调制具有高频谱利用率、高功率谱密度、带宽利用率高等优点。在现在通信中提高频谱利用率一直是人们关注的焦点。近些年来，随着通信业务的需求的不断增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目的之一。正交振幅调制就是一种频谱利用率很高的调制方式。随着微蜂窝和微微蜂窝系统的出现，使得信道传输特性发生很大的变化，接收机和发射机之间通常具有很强的支达分量，以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱利用率很高的WAM已引起人们的注意，许多学者已对16QAM及其它变形的QAM在PCN中的应用进行了深入的研究。QAM是幅度、相位联合调制技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图可以容纳更多的星座点，即实现更高的频带利用率，目前QAM星座点最高已可达256QAM。2.2QAM调制调制调制调制应用领域应用领域应用领域应用领域正交振幅调制在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大的变化。过去在传统的蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起了人们的注意。QAM数字调制器作为DVB系统的前端设备，接收来自编码器、复用器、DVB网关视频服务器等设备的TS流，进行RS编码、卷积编码和QAM数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传3送，同时也可以根据需求选择中频输出。它以其灵活地配置和优越的性能指标，广泛地应用于数字有线电视传输领域和数字MMDS系统。QAM调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在美国，正交振幅调制常用在地面微波链路，不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电视采用QAM调制，而加拿大的卫星采用正交幅度调制。3QAM调制调制调制调制设计设计设计设计原理原理原理原理3.1QAM调制原理调制原理调制原理调制原理正交振幅调制（QAM）是一种振幅和相位的联合键控。在QAM体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到控制。这种信号的一个码元可以表示为：ccBmAmtyωωcossin)(+=0≤t＜Ts（3-1）上式是由两个正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅｛Am｝、｛Bm｝所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。式中，Ts为码元宽度；m=1、2、3、、、M，M为电平数。QAM中的振幅Am和Bm可以表示成：AdAmm=（3-2）AeBmm=（3-3）式中，A是固定振幅，（md、me）由输入数确定。（md、me）决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点[4]。MQAM调制框图如下图1所示。在发送端调制器中串/并转换使得信号速率为Rb的输入二进制信号分成两个速率为Rb/2的二进制信号，然后由2-L电平转换将每个Rb/2的二进制序列转换成Rb/㏒2M的L电平信号，经过预调制低通滤波器，然后分别与两个正交载波相乘，这两路信号经过相加器便可得到MQAM信号[3]。4串/并转换2-L电平变换2-L电平变换LPFLPF乘法器乘法器载波发生90度相移加法器图图图图1111调制原理调制原理调制原理调制原理框图框图框图框图3.2QAM解调原理解调原理解调原理解调原理QAM解调可以用相干解调的方法来实现。其原理图如下图2所示。已调信号分别与两个正交载波相乘，分别经过低通滤波器恢复得到L电平信号，经过抽样判决后，可以恢复出原来两路为Rb/2的二进制序列，然后经过并/串转换恢复出原来的二进制序列。乘法器乘法器载波恢复LPFLPF多电平判决多电平判决L-2电平转换L-2电平转换并/串转换图图图图2222QAMQAMQAMQAM解调原理框图解调原理框图解调原理框图解调原理框图4444QAM调制调制调制调制仿真测试仿真测试仿真测试仿真测试4.14.14.14.1SystemSystemSystemSystemviewviewviewview仿真软件基本使用原理仿真软件基本使用原理仿真软件基本使用原理仿真软件基本使用原理Sytemview是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路和通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。Sytemview的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（MainLibrary）及专业库（OptionalLibrary）,基本库包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们适合现代通信系统的设计、仿真和方案论证。启动Systemview，系统设计窗口如下图3所示5图图图图3333系统窗口系统窗口系统窗口系统窗口打开系统窗口，根据原理图便可设计电路图，并通过系统窗口的图符库寻找需要的所需图符，设计其参数，便可以做出电路图。4.24.24.24.2QAM调制解调仿真调制解调仿真调制解调仿真调制解调仿真由图1、2可以知道16QAM的调制解调原理，接下来我们将根据原理图设计仿真系统的总电路图，如下图5所示。我们将通过调制和解调两大模块进行仿真，并且对仿真结果进行分析。图图图图444416QAM16QAM16QAM16QAM调制解调总电路图调制解调总电路图调制解调总电路图调制解调总电路图4.34.34.34.3QAM调制调制调制调制仿真参数设置仿真参数设置仿真参数设置仿真参数设置信号源参数设置：基带信号码元速率设为bitTRb81==,载频设为fs=10Hz。（载频设的比较低，目的主要是降低仿真时系统的抽样频率，加快仿真时间。）系统时间设置：为获得较好的仿真波形，系统的采样率不能低于系统信号的最高频率的4倍，当采样率为系统信号最高频率的10倍以上，仿真几乎没有失真了。6本次仿真取5fs,即50Hz。采样点数设为1024。表表表表1MQAM1MQAM1MQAM1MQAM系统参数设置系统参数设置系统参数设置系统参数设置表表表表图符编号库/符名称参数0、4Source:PNSeqAmp=1v,offset=0v,Rate=8Hz,Level=4,Phase=0deg2、7Source:SinusoidAmp=1v,Freq=10Hz,Phase=0deg9、11、18、19Operator:LinearSysBesselLowpassIIR,6Poles,Fc=10Hz4.44.44.44.4QAM调制部分说明调制部分说明调制部分说明调制部分说明这里省略了串并转换和2/4电平变换，因为，这里用了两组PN伪随机序列，可以产生两路4电平序列。下图6是调制模块：图符0、4是伪随机信号（PNSeq）指定参数产生伪随机信号，这里参数L=4，产生4进制电平序列，得到两路并行4进制序列，经过低通滤波器和与两路正交载波相乘，然后叠加成为16QAM信号输出。图符13、14、15、16、17、19、20、21是分析接收器图形，可以在设计窗口显示波形和信息。这里省略了2/4电平转换，因为伪随机信号产生的是4电平序列，不需要再进行2/4电平转换了。图图图图5555调制模块调制模块调制模块调制模块7对调制模块进行仿真，其仿真图如下所示：图图图图6666伪随机信号伪随机信号伪随机信号伪随机信号图图图图7777并行与载波相乘后并行与载波相乘后并行与载波相乘后并行与载波相乘后调制信号调制信号调制信号调制信号图图图图8888输出的调制信号输出的调制信号输出的调制信号输出的调制信号84.54.54.54.5QAM解调部分说明解调部分说明解调部分说明解调部分说明下图10是解调模块，本次仿真中载波恢复输出同频同相波是由调制模块中载波提供的。解调器原理是相干解调法，即已调信号与载波相乘，送入低通滤波器中。图图图图9999解调模块解调模块解调模块解调模块对解调模块进行仿真，其仿真图如下所示：图图图图10101010并行输出信号并行输出信号并行输出信号并行输出信号在分析窗口中，单击α按钮打开计算器窗口。选择Style功能组，然后单击（ScatterPlot）按钮，在对话框右侧选择输出两路信号波形，单后单击（OK）按钮即可，得到如下图形。9图图图图11111111处理后的波形处理后的波形处理后的波形处理后的波形使图12窗口处于激活状态，然后单击工具栏的点图显示按钮完成了整个操作，得到的该16QAM系统的星座图如下所示。图图图图12121212星座图星座图星座图星座图4.64.64.64.6QAM调制调制调制调制测试与分析测试与分析测试与分析测试与分析现在我们将16QAM与16PSK信号做一下比较。按最大振幅相等，设最大振幅为mA，则16PSK相邻矢量的欧氏距离为:10(a)16QAM(b)16PSK图图图图1316QAM1316QAM1316QAM1316QAM与与与与16PSK16PSK16PSK16PSK信号矢量图信号矢量图信号矢量图信号矢量图mmAAd393.081=≈π（4-1）而16QAM信号的相邻欧氏距离为：mmAAd471.0322==（4-2）此距离代表者噪声容限的大小,所以2d和1d的比值代表这两种体制的噪声容限之比。按上式计算2d超过1d约1.57倍，但是，这是在最大功率相等时比较的，没有考虑这两种体制的平均功率差别。16PSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。而16QAM信号，在等概率的出现条件下，可以计算出最大功率与平均功率之比等于1.8倍，即2.55dB。因此，在平均功率相等的条件下，16QAM比16PSK信号的噪声容限达4.12dB[1]。MPSK信号星座图上信号间的最小的距离为：=MdMPSKπsin2（4-3）MQAM信号矩形星座图上信号星座图间最小距离为：1212−=−=MLdMQAM（4-4）当M=4的时候，MQAMMPSKdd=，实际4PSK与4QAM的星座图是相同的。11当M=16的时候，47.016=QAMd，而39.016=PSKd，QAMPSKdd1616，说明16QAM系统抗干扰能力优于16PSK。矩形QAM信号星座最突出的优点就是容易产生PAM信号可直接加到两个正交载波相位上，此外它们还便于解调。对于M＝k2下的矩形信号星座图（k为偶数），QAM信号星座图与正交载波上的两个PAM信号是等价的，这两个信号中的每一个上都有22kM=个信号点。因为相位正交分量上的信号能被相干判决极好的分离，所以易于通过PAM的误码率确定QAM的误码率。M进制QAM系统正确判决的概率是2)1(McPP−=（4-5）式中MP是M进制PAM系统的误码率，该PAM系统具有等价QAM系统的每一个正交信号中的一半平均功率。通过适当调整M进制PAM系统的误码率，可得)13()11(20NEMQPavMM−−=（4-6）其中0NEav是每个符号的平均信噪比。因此M进制QAM的误码率为()211MMPP−−=(4-7)可以注意到，当k为偶数时，这个结果对M＝k2情形时精确的，而当k奇数时，就找不到等价的M进制PAM系统。如果使用最佳距离量度进行判决的最佳判决